地基微波輻射計工作原理和產品初分析

徐延欣

摘要：微波輻射計是一種被動式微波遙感設備，主要用于中小尺度天氣現象。主要介紹TP—WVP3000型、RPG-HATPRO型兩種地基微波輻射計工作原理和產品分析。TP—WVP3000型地基微波輻射計可以連續得到從地面到10km高度的溫度、水汽和液態水的垂直廓線。德國RPG-HATPRO地基微波輻射計采用多通道并行測量核心技術，通過無線電高空探測器測得的溫度、氣壓和濕度廓線，得到相應的數據組，進而得到大氣溫濕廓線。

關鍵詞：地基微波輻射計 ;TP—WVP3000;RPG-HATPRO

中圖分類號：TN911?? 文獻標志碼：A

1.引言

微波輻射計是一種被動式微波遙感設備。目前中尺度天氣現象監測中，探空氣球和天氣雷達是常用的手段。探空氣球會受到時間和空間的限制;雷達資料局限于降雨過程無降水時的欠缺。地基微波輻射計的出現，填補了上述各監測手段的空白，是其有效的補充手段。

微波輻射具有獨立工作能力，幾乎能在各種環境條件工作，適用于自動天氣觀測，用于反演完整的大氣廓線。

目前，國際上新成熟的技術為并行多檢測器、多通道直接測量技術。采用K波段和V波段的水汽和氧氣通道觀測反演大氣的水汽和溫度信息。并行技術微波輻射計的各通道帶寬相互獨立，在積分時間充足的條件下，可采用邊界層多角度掃描，從而捕捉到邊界層1K的微小亮溫變化，明顯提高了邊界層溫度垂直分辨率。并行多通道也使得快速全天空掃描及方位-時間掃描得以實現，有助于監測天空快速水汽變化和云天變化。

本文著重介紹TP—WVP3000型、RPG-HATPRO型[1-2]（溫度和濕度廓線儀）兩種地基微波輻射計，以及工作原理和產品分析[3-6]。

2.儀器工作原理

2.1TP—WVP3000型地基微波輻射計

TP—WVP3000型地基微波輻射計（圖1），是一種新型12通道微波輻射計，它可以連續得到從地面到10km高度的溫度、水汽和液態水的垂直廓線。其中，TP-WVP3000生成溫度、水汽以及低溶解度液體的廓線圖。

溫度廓線可以通過測量在60GHz氧的特征放射強度或亮度溫度而得到。通過從線的中心向下到線的兩側進行掃描，設備可以得到高度信息。水汽廓線可以通過觀測壓力擴大水汽線的放射強度和形狀得到。水汽的輻射在高處是一條窄的線，而在低處壓力擴大。

2.2德國RPG-HATPRO型地基微波輻射計

德國RPG-HATPRO是世界上最先進、最具代表性的新一代微波輻射計（圖2）。RPG-HATPRO采用多通道并行測量核心技術，引領著全球微波輻射計的發展方向和未來。

通過無線電高空探測器測得的溫度、氣壓和濕度廓線可以得到相應的數據組。選取95%的相對濕度接線作為云層存在界限，可以得到隔熱的云層液態水廓線，并且利用MWMOD對無線電探測數據進行轉換，并通過隨機產生的干擾排除實際的干擾，從而得到實際的亮溫度。進而得到大氣溫濕廓線。

3. 探測產品分析

圖3—6是1TP—WVP3000型地基微波輻射計、RPG-HATPRO型地基微波輻射計的大氣廓線產品，反演地面至不同高度的垂直方向上大氣溫度、相對濕度和液態水廓線等要素。

圖3是RPG-HATPRO型地基微波輻射計測得，從地面到10km高度垂直方向上的大氣溫度、相對濕度和液態水廓線、24小時內的降雨情況。根據溫度廓線，大氣溫度隨高度的增加而降低。8km以下，從0時到6時溫度有下降趨勢，在6時有氣溫明顯升高到6時30分左右出現峰值，此后下降到7時溫度與之前相差不大，之后溫度趨于穩定，并有略微的上升趨勢，地面最高溫出現在0時。在9km高度處，除在6時30分左右出現峰值外，其它時次也有明顯的波動。據液態水廓線可知，在2km高度以上，大氣中基本上不存在以液態形式存在的水。

圖4是TP—WVP3000型地基微波輻射計測得，2008年5月13日12-16時從地面到1.0km高度垂直方向上的溫度廓線。由圖，大氣溫度隨高度的增加而降低。圖中0.2-0.6km高度上，溫度隨高度增加而升高，說明出現了逆溫現象。

圖5是TP—WVP3000型地基微波輻射計測得，2008年5月13日12-16時從地面到1.0km高度垂直方向上的水汽密度廓線[2]。由圖，水汽密度隨高度增加而降低。其中，0.2-0.4km高度上，水汽密度出現劇烈變化，達到2.0g/m，在13時20分左右出現極大值。

圖6是RPG-HATPRO型地基微波輻射計測得，2008年5月13日12-16時從地面到1.0km高度垂直方向上液態水廓線。由圖，液態水含量隨高度升高而下降。其中，在0.1km以上，液態水含量有劇烈變化，在13時及15時20分左右達到極大值。

4. 結語

微波輻射計是一種被動式微波遙感設備，主要用于中小尺度天氣現象。地基微波輻射計的出現，填補了探空氣球和天氣雷達等各監測手段的空白，是其有效的補充手段。

常用的TP—WVP3000型地基微波輻射計，可以連續得到從地面到10km高度的溫度、水汽和液態水的垂直廓線，具體可以探測到垂直方向不同高度上大氣溫度的變化，以及探測垂直方向水汽密度隨高度的變化。德國RPG-HATPRO微波輻射計通過無線電高空探測器測得的溫度、氣壓和濕度廓線可以得到相應的數據組，判斷大氣溫度隨高度的變化，同時根據據液態水廓線，可以得到在某一高度上，判斷大氣中是否存在液態形式存在的水。

目前，國際上運用先進的并行多檢測器、多通道直接測量技術，通過微波輻射等自動天氣觀測，反演完整的大氣廓線，這對于現代氣象觀測工作具有實用意義。

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